[自然科学]4-永磁同步电动机基础

2）插入式 2－转子铁心 3－转轴
• 1．表面凸出式 结构简单、制造成本较低、转 动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和 恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机 中得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结 构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为 能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极 形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的 性能。 • 2．表面插入式 可充分利用转子磁路的不对称 性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度， 动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简 单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但 漏磁系数和制造成本都较凸出式大。
3. 永磁同步电动机的总体结构
(1) 高效永磁同步电动机结构示意图
l－转轴 2－轴承 3－端差 4－定子绕组 5－机座 6－定子铁心 7－转子铁心 8－永磁体 9－起动笼 10—风扇 11—风罩
(2) 永磁直流无刷电动机结构示意图
l－转轴 2－前端差 3－螺钉 4－调整垫片 5－轴承 6－定子组件 7－永磁转子组件 8－位置传感器转子 9－后端差 10—位置传感器定子
率因数角。
I1 超前 E0和 U
相当于容性负载 补偿电网无功 直轴电枢反应 为去磁性质
Ed E0
I1 超前 E0 I1 与 U 同相位
cos 1
直轴电枢反应 为去磁性质
Ed E0
I1 超前 E0 I1 滞后 U
相当于感性负载 直轴电枢反应 为去磁性质
Ed E0
I1 I q
5. 永磁同步电动机的定子结构
• 对于高速的永磁同步电动机，极对数少，绕组 形式与普通交流电机的定子一样。但为了比较 方便的放置永磁体，一般多为多极电机。6 极 的居多。 • 定子绕组一般为双层短距绕组。 • 为了改善电动势波形也有采用分数槽绕组。 • 为了消除永磁齿磁导转矩，有时定子铁心斜一 个定子槽。
2

Pn
—电动机的电角速度 —电动机的极对数
m —电动机的相数
8. 矩形波电流控制永磁同步电动机的传动系统
9 永磁同步电动机 id 0 控制系统简图
4.3 内置切向式转子磁路结构
2．切向式结构 这类结构的漏磁系数较大， 并且需采用相应的隔磁措施，电动机的制造工 艺和制造成本较径向式结构有所增加。其优点 在于一个极距下的磁通由相临两个磁极并联提 供，可得到更大的每极磁通。尤其当电动机极 数较多、径向式结构不能提供足够的每极磁通 时，这种结构的优势便显得更为突出。此外， 采用切向式转子结构的永磁同步电动机的磁阻 转矩在电动机总电磁转矩中的比例可达40％， 这对充分利用磁阻转矩，提高电动机功率密度 和扩展电动机的恒功率运行范围都是很有利的.
永磁同步电动机空载气隙磁密波形（计算出）
1—气隙磁密，2—基波，3—3次谐波，4—5次谐波
实测永磁同步电动机空载气隙磁密波形
• 永磁同步电动机的空载气隙磁密波形基本上为一平 顶波，与感应电动机的气隙磁密波形相差较大，而 与直流电机的空载气隙磁密波形相似。
6. 低速永磁同步电动机的定子结构
对于低速永磁同步 电动机，极对数多，则 定子槽数相对较少。每 极每相导体数 q 少。绕 组设计比较讲究。 1. 普通双层短距绕组 波形不好；永磁齿 磁导磁阻转矩大； 绕组端部长,不经济
2. 集中绕组
一对极下放置三 相集中绕组，绕 组基波系数低， 电机性能差。 3. 普通分数槽绕组 q 1 的分数槽绕 组可以改善电动势 和磁动势波形，
绕组的端部长。
4. 特殊分数槽绕组
这种 分数槽绕组可以有效 地改善电动势和磁动 势波形，由于绕组是 三相的每一相的相邻 槽连续缠绕的集中绕 组，绕组的端部长； 且几乎已完全消除了 永磁齿磁导转矩。 图中定子齿/极数为 24/22
I1与 U 同相位
仅有交轴电枢 反应，无直轴 电枢反应
Ed E0
I1 滞后 E0
相当于感性负载 直轴电枢反应 为助磁性质
Ed E0
7.2 永磁同步电机电磁转矩和矩角特性
mPUE mPU 1 1 n 0 n Tem sin ( Байду номын сангаас)sin 2 Xd 2 X d X q
2. 永磁同步电动机分类
永磁同步电动机分类方法比较多： ①按工作主磁场方向
的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式； ②按电枢绕 组位置的不同，可分为 内转子式 ( 常规式 ) 和 外转子式 ；
③ 按转子上有无起动 ( 阻尼 ) 绕组，可分为 无起动绕组的
电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而 起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁 同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又 可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩 起动，常称为异步起动永磁同步电动机 )；④按供电电流 波形的不同，可分为 矩形波永磁同步电动机 和 正弦波永 磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。
第四部分 永磁同步电动机
1. 概 述
• 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电 动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后 者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单， 降低了加工和装配费用，且省去了容易出问 题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可 靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗， 提高了电动机的效率和功率密度。因而它是 近年来研究得较多并在各个领域中得到越来 越广泛应用的一种电动机。
q 1 3
7. 永磁同步电动机的稳态性能
7.1 稳态运行和相量图
正弦波永磁同步电动机与电励磁凸极同步电 动机有着相似的内部电磁关系，故可采用双 反应理论来研究。需要指出的是，由于永磁 同步电动机转子直轴磁路中永磁体的磁导率 很小(对稀土永磁来说其相对回复磁导率约为 1)，使得电动机直轴电枢反应电感一般小于 交轴电枢反应电感，分析时应注意其异于电 励磁凸极同步电动机的这一特点。
E0
——永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值；
• 由电压方程可画出永磁同步电动机于不 同情况下稳定运行时的几种典型相量图， 图中， 为气隙合成基波磁场所产生的 E 电动势，称为气隙合成电动势； 为气 Ed 隙合成基波磁场直轴分量所产生的电动 势，称为直轴内电动势； 为 超前 U
E0的角度，即功率角，也称转矩角； 为电压超前定子相电流 I 的角度，即功 1
电动机稳定运行于同步转速时，根据双反 应理论可写出永磁同步电动机的电压方程。
U E0 I1R1 jI1 X1 jI d X ad jI q X aq E0 I1R1 jId X d jIq X q
X ad , X aq ——直、交轴电枢反应电抗； X d , X q ——直、交轴同步电抗； —— 直、交轴电枢电流； Id , Iq Id I sin , Iq I cos —— I1 与E0 间的夹角（内功率因数角）
•
4.4 内置混合式转子磁路结构
1-转轴
2-隔磁磁桥
3-永磁体
4-鼠笼条
4.4 内置混合式转子磁路结构（续）
• 3. 混合式结构 这类结构集中了径向式和切向 式转子结构的优点，但其结构和制造工艺均较 复杂，制造成本也比较高。图a是由德国西门子 公司发明的混合式转子磁路结构，需采用非磁 性转轴或采用隔磁铜套，主要应用于采用剩磁 密度较低的铁氧体永磁的永磁同步电动机。需 指出的是，这种结构的径向部分永磁体磁化方 向长度约是切向部分永磁体磁化方向长度的一 半。图b、c是由径向式结构衍生来的两种混合 式转子磁路结构。其永磁体的径向部分与切向 部分的磁化方向长度相等，也采取隔磁磁桥隔 磁。
4.2 内置径向式转子磁路结构
转轴
隔磁磁桥
永磁体
内置结构式转子的永磁体位于转子内部，永磁体外 表面与定子铁心内圆之间 ( 对外转子磁路结构则为永 磁体内表面与转子铁心外圆之间 ) 有铁磁物质制成的 极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或 (和 ) 起动作用，动、稳态性能好，广泛用于要求有异 步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。内置式 转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的 不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过 裁能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速。 1．径向式结构 优点是漏磁系数小、转轴上不需采取 隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、 安装永磁体后转子不易变形等。永磁体轴向插入永磁 体槽并通过隔磁磁桥限制漏磁通，结构简单，运行可 靠，转子机械强度高，因而近年来应用较为广泛
(3) 调速永磁同步电动机结构示意图
l－转轴 2－轴承 3－端差 4－定子绕组 5－机座 6－定子铁心 7，8－永磁体 9－转子铁心 10—风扇 11—风罩 12－位置、速度传感器 13，14－电缆 15－专用变频驱动器
4.
永磁同步电动机的转子结构
4. 1 表面式转子磁路结构
1） 凸出式 1－永磁体